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同济大学魏学哲:能源视角下电动汽车关键技术及其趋势

日期:2019-05-15    来源:中国储能网

国际新能源网

2019
05/15
11:09

关键词: 电动汽车 新能源汽车 碳酸锂电池

   4月24-26日,由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会主办的第九届中国国际储能大会在浙江省杭州市洲际酒店召开。在4月25日下午的“电动汽车与电网互联”专场,同济大学新能源汽车工程中心的主任魏学哲在会上分享了主题报告《能源视角下电动汽车关键技术及其趋势》,以下为演讲实录:

  魏学哲:各位专家各位同行大家下午好!感谢组委会的邀请,我从事的是电动汽车行业,对于今天会议的主题“储能”实际上我们一直在思考一个问题:作为能源的消费者和提供者,电动汽车和电网之间是什么样的关系?

  首先我们想回答一个问题,汽车为什么会在我们的生活中这么重要?对于人来讲,汽车是一个必需的要求,我们会看到在汽车在出行自由度和出行速度这两个维度上面都处于中间的位置,也就是它兼具了很好的出行速度和很好的自由度。另外我们从全球的汽车保有量上来看,现在全球大概有13多亿辆车,也就是全球70亿人口中大概五个人有一辆车,在中国差不多也是这样的比例。

  接下来回顾一下汽车一百多年的发展史,我们知道从卡尔本茨获得第一台汽车的专利,到1908年福特建立了流水线,汽车作为一个大的工业类别正式出现了。汽车虽然最早是在德国出现,但是它的工业化实际上最早出现在美国,二战之后,欧洲特别是德国和日本的汽车工业先后崛起,21世纪之后中国的汽车工业又崛起了。

  我们再看另外一个行业:石油行业。从1858年打出第一口油井算起,也是100多年的时间。当初把石油挖出来不知道干什么用,最开始的时候是炼出煤油用来照明,汽车出来之后才发现石油还可以有更重要的用途。1911年汽油的销售量超过煤油成为了最重要的石油产品,所以从某种程度上讲,我们搞汽车的是给石油行业打工的,赚钱的活是他们的,干脏活累活的是我们。这两个行业结伴走了一百多年,现在也碰到了一些问题,包括能耗问题、国家政策、污染问题、国际趋势等等。这两个行业相互之间的联系也出现了问题,就像我们开始讲的,人类自由出行的需求是不会变的,汽车保有量还是在增加的,但是碳排放要求封顶,对污染物排放的要求越来越高,还有化石能源是不可再生的,汽车和石化这两个全世界最大行业联姻的解体这是我们需要面对的问题。

  告别了化石能源,我们自然会谈到汽车的电动化。汽车电动化依赖的能源基础就是电能,再来看一下电动汽车和电力行业有没有可能再有一个百年的联姻。大概在20年前,我们国家做了这个三纵三横的技术发展路线,这三条路线的能源基础分别是汽油,电能和氢能。20年前做这个技术路线的时候,其实是一个三边下注的方案,一方面是过去还依赖石油,另外一方面我们看到了一些新的能源载体,一个是电能,另外一个就是氢能。经过二十年的发展在2017年全球的电动汽车保有量是200万辆,中国超过100万辆,这个数据这几年中国一直占全球的50%以上。

  再往深层看就是电池,如今普遍使用的电池里,碳酸锂电池是进步很大的,特别是最近的几年,成本下降最明显,同时三元材料在能量密度之类的技术性指标上是进步最快的。目前电动汽车的发展主要依赖于这两类的电池体系,当然除了电池本身还有相关技术的进步,在电池模型、电池监测,以及基于模型监测进行的管理上都有。除了锂离子电池,燃料电池的热度在2015年丰田发布了Mirai之后形成一个小的高峰,之后又回落了。日本发布的这些燃料电池系统,对我们冲击是什么?那就是从用户端感受到的性能而言,它们是可以和传统汽车的性能相媲美的。

  日韩推出的燃料电池汽车主要是轿车,这里还有客车和重卡的应用,特斯拉的Semi就想靠锂电池解决一切问题,无论大车小车都用锂电池。当然也有人不服,加氢的时间能控制在15分钟,这点对于锂电池的充电时间,是有明显的优势的。另外我们来看客车,一个美国的燃料电池客车,充能时间可以控制在20分钟左右,里程相比于我们国家的电动客车也可以大大增加。所以我们看到燃料电池技术在大功率,长距离的场景下还是有明显的优势。

  看过了车的情况,再看电网。电网的发展也是一百多年的历史,从1875年巴黎的第一座火电厂、第一批的水电企业,到2016年全球发电量达到24.8万亿千瓦时,这其中中国的电力增长速度是非常快的。

  我们把这两个行业放在一起做了一些测算,从全球和中国两个维度给出一个基本的概念。假设把全球的乘用车按照年均两万公里的行驶里程全部电动化,耗电就是2.84万亿千瓦时,占全球发电量也就是10%左右。对于中国而言,假设2030年中国汽车保有量能达到2.75亿辆,现在大概是一亿多辆,就是中国的乘用车在2030年翻将近一倍的话,按每一百公里耗15度电,总的就是0.825万亿千瓦时,也是我们国家发电量的10%左右。

  从功率方面来看,在上海假设有50万辆电动车,这差不多是上海私人保有汽车量的四分之一,这50万辆车同时慢充,也就占平均负荷功率的差不多10%。这是50万辆同时充电时候的情况,功率占比其实并不是特别大,当然局部可能还是会很大,在某一个小区或者某一个停车场,这是另外的情况。

  我们把汽车工业的底座从原来的石油工业移到电力工业上面,可不可以?在经过这样的一个基本测算之后,心里还有点数的,应该没有太大问题的。当然,也有人会来问,中国的电基本是靠烧煤发出来的,这个过程中伴随很多的污染排放,这是不是把污染简单的转移了一下呢?

  第一,我们可以看到近年来电力工业能源结构在发生变化。第二,在以火电为主的能源结构下,会看到全生命周期的碳排放是减少的,但是减少的并不像我们想象的那么多。拿传统的燃油车和深度混合动力还有中长续航里程的电动车来比较,会看到在全生命周期总的碳排放量这一项燃油车是最高的。在包括了生产制造阶段还有使用阶段的全生命周期里,混合动力是27.2,还是比较低的。同时,大家会看到,长续航里程的电动汽车把续航里程加长之后,碳排放量反而会增加,因为电动汽车电池在生产过程当中,还是有高额的碳排放存在的。

  再展望一下未来,到2020年,中国能源结构会进一步的优化,煤炭所占比例会下降,其他可再生能源或者非化石能源占的比例会上升,当然汽车技术也在进步。我们假设比如说电池的能量密度提高,整车的能耗下降,驱动方面还有整车设计方面改善,汽车在整个全生命周期的碳排放情况会更加优化,除此之外电动汽车还有两大优势,那就是没有氮氧化物和颗粒物的排放。

  再从基础设施方面来看,全球范围内,相关基础设施的建设都在迅速的增加,以慢充和私有桩为主,中国的情况也差不多,在数量上会更多一点,2018年末私有桩数量超过了50万,公用桩超过40万。

  我们刚刚的比较都是按照乘用车来计算的,因为至少现在锂电池的水平还达不到可以应用在重型车辆上,虽然特斯拉推出了重型卡车,但是远远没有像轿车那样符合大家的预期。重型车辆还是要考虑用燃料电池来做,那么我们要算一下氢能够不够用。中国2016年的工业副产氢是1189万吨,用“水风光”三弃和核电弃电的电力可以分别制196万吨和146万吨氢气。按照一辆车运行三百天,每天用氢0.5公斤来算,这些氢可以分别供7900万、1300万和970万燃料电池车使用,这还是在没有新的资源投入的情况下。这一点是中国发展燃料电池起步阶段最大的优势,就是氢能这个新能源是有足够量的。

  再比较一下制氢的成本,工业副产氢大概在10块钱左右的,电解制氢取决于电价,不同的电价成本也会不一样。在中国还有一个优势就是煤资源很丰富,煤制氢可以做到一公斤十块钱以下,八块七毛钱。但是现在用氢的成本基本在每公斤40块钱到50块钱之间,有的地方会到70块钱,也就是说,制氢的成本很低,但是到的车厂就要加好几倍的价钱,这里面的差价主要就是运输、存储这些问题造成的。因为我们的体系还没有大规模地建立起来,有关中国加氢站的数据还是非常少的,就全世界的建设情况来看,总的来看比较领先的是日本,美国的加州以及东海岸地区和欧洲。

  对比了两种车辆能源体系之后,要思考的就是这样切换会带来什么问题?在石油能源补给的时候,也就是5分钟时间油就加好了,充电慢充的话可能需要五六个小时;至于对能源的网络的影响,加油的时候是局部的、离线的,但是充电的话是全局的、在线的,是需要和整个网络发生关系的。要解决这些问题就需要有高效的电能变换,便捷的电能补给以及友好的能源交互,这里面涉及到一个是能量的交换,另一个是信息的交换。

  从能量交换的角度来讲,大家都知道需要各种各样的电能变换,电能变换最基础的东西就是电子电力器件。下一代的电子器件让我们这个行业非常期待,因为可以大大的提高功率密度,这将带来很多新的可能性,包括充电、逆变、无线充电等领域里一些新的技术手段。有了这样的装置就可以实现电流的双向流动,刚刚发改委的报告中介绍了双向充电带来的好处,双向能量变换技术的可能性,当然除了能量的交互之外,还需要有价格的传导机制。

  价格传导机制有一个基础的东西就是信息要可传导,过去汽车是一个封闭信息体系,对外交互的信息非常少,当汽车和电网之间发生交互的时候,需要有大量的信息同时进行交互。在这里面会用到T- box之类的技术,当然还有一些其他的方案。我们思考出来的一个重要结论是,作为能源网络的一部分,车辆与储能有关信息必须对电网开放,信息的接口要与充电的接口进行统一的规范。刚刚讲到V2G的问题,大规模的电动汽车除了充电还可以给电网带来额外的价值,这个就是V2G的事情,从汽车上取下来的电池,还可以用来做充储一体,两极储能。

  除了电,氢能也会带来一些问题。我们讲的氢能补充方式和石油比较接近,也是5分钟级别的。但是氢能的制、储、运各个环节都有不少的问题,但是好在这些技术领域的问题也都在快速地得到改善。

  最后一个结论就是:汽车的将来靠什么呢?靠两个网络,一个靠电网,一个靠氢能网络。一个是在线方式,一个是离线方式,可以看到可再生能源发电的碎片化问题可以通过更大规模的氢储能来解决。这样的话对于汽车而言,从石油网络切换到电的网络就有了支撑。汽车原来和能源网络之间的弱耦合变成了强耦合,交换物质变成了交换能源,而且还要交换信息,原来的物理系统变成了信息物理系统。最后我们讲汽车工艺的优化问题不能仅仅在汽车上求解,必须要在更大范围内求解,要从原来终端的问题升级为能源交通两个系统的问题来求解。人类自由移动的普遍需求需要建立在电能、氢能的基础之上,当然具有百年历史的汽车,也将会在新的能源基础上面继续发展,谢谢大家!
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